يُتوقع أن يلعب الهيدروجين دورًا أساسيًا في التحوّل إلى مستقبلٍ تنخفض فيه انبعاثات الكربون، خاصة عندما يُنتَج بصورةٍ نظيفة من الموارد المتجددة. وفي حين يُصنَع معظم الهيدروجين من الغاز الطبيعي في يومنا هذا، يوفّر النفط الحيوي بديلًا مستدامًا لا تنتج عنه انبعاثاتٌ كربونية. لكن يكمن التحدّي في إيجاد محفزات فعّالة وبأسعار معقولة ودائمة يمكنها تحويل النفط الحيوي إلى هيدروجين دون تلوثٍ أو تحلّل.
تعاون باحثون في جامعة خليفة، من بينهم البروفيسورة لورديس فيغا والبروفيسورة كيرياكي بوليكرونوبولو والدكتورة صبا العريقي والدكتور دانييل باهامون، مع باحثين من جامعة جونز هوبكنز لتصميم مثل هذه المحفزات باستخدام النمذجة الحوسبية المتقدمة. وحدّد الفريق مجموعة من المحفّزات ثنائية المعدن وثلاثية المعدن والتي يمكنها التغلب على المشاكل طويلة الأمد في إنتاج الهيدروجين، التي تشمل تراكم الكربون وعدم الاستقرار وانخفاض الانتقائية، من خلال محاكاة سلوك السبائك أحادية الذرة المصنوعة من النيكل، وقد نشروا النتائج التي حصلوا عليها في المجلة العلمية "نيتشر كوميونيكيشنز"، المعنيّة بالعلوم الطبيعية.
يُستخدم النيكل على نطاق واسع في إصلاح الهيدروجين بسبب نشاطه وتكلفته المنخفضة، لكن تحدّه قيودٌ رئيسة، فهو يميل إلى تكوين رواسب الكربون (المعروفة باسم التكويك) ويتحلل بمرور الوقت، كما تقدّم المعادن النبيلة مثل البلاديوم والبلاتين، أداءً أفضل، لكنها باهظة الثمن إلى حدٍّ كبير.
توفر السبائك أحادية الذرة المصنوعة من النيكل، التي تتشتت فيها ذرات معدن واحد داخل معدن هيكلي مضيف، طريقة للجمع بين التكلفة المنخفضة للمعادن الأساسية مثل النيكل وأداء العناصر الأكثر فعالية. ويتمثل التحدّي في إيجاد تركيبات مستقرة لا تتجمع أو تفقد نشاطها تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة.
استخدم الفريق البحثي أدوات تصميم حوسبية لفهم التعقيدات وفحص 26 معدن شائب محتمل للعثور على تركيبات تلبي المتطلبات، وقد ظهر النحاس والنيكل كمحفزيْن واعديْن بصورة خاصة، من بين المواد المعدنية المرشحة التي اجتازت الفحص الأولي، حيث أظهرا إنتاجًا قويًّا للهيدروجين وميولًا منخفضة لإنتاج رواسب الكربون، كما استكشف الفريق أنظمة ثلاثية المعادن لتعزيز الأداء، من خلال إضافة معدن ثالث للاستفادة من التفاعلات التآزرية بين الشوائب المشتركة، ما يؤدي إلى الحصول على محفزات ذات طاقة سطح مضبوطة بدقة وقدرة على ربط الهيدروجين ومقاومة رواسب الكربون.
وقد تمكّن الباحثون باستخدام نهجٍ حوسبي، من تجاوز العملية البطيئة والمكلّفة لتخليق محفز التجربة والخطأ، كما تمكّنوا من تضمين معايير اقتصادية لتحديد أولويات الحلول القابلة للتطوير. ويمكن للمواد المرشحة الواعدة أن تصبح مكوّنات مهمة للبنية التحتية للهيدروجين مستقبلًا من خلال الاختبارات الواقعية، ما يسهم في تحويل النفط الحيوي المشتق من النفايات إلى مصدر طاقة نظيف.
ترجمة: مريم ماضي
أخصائية ترجمة وتعريب